27214 - ESPERIMENTAZIONI DI FISICA 2

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce i principi di base e gli elementi teorico-pratici dell'elettronica analogica e digitale, della strumentazione necessaria per le relative misure e di alcuni apparati di rivelazione utilizzati in osservazioni astronomiche (radiotelescopi e CCD). Acquisisce inoltre la capacità di maneggiare gli strumenti per eseguire semplici misure su circuiti elettronici (in particolare oscilloscopio e multimetro)

Contenuti

Il corso si compone di lezioni frontali, esercitazioni e laboratori.
In particolare, dopo circa un mese di lezioni frontali, inizieranno le esercitazioni e prove di laboratorio che si svolgeranno in parallelo alle lezioni.

I contenuti del corso possono essere raggruppati nelle seguenti tematiche generali:
1. Elettronica analogica.
2. Semiconduttori, diodi e transistor.
3. Elettronica logico-digitale.
4. Strumenti per l’acquisizione di dati astrofisici.

Più nel dettaglio, verranno trattati i seguenti argomenti:

1. Elettronica analogica (circa 6-7 lezioni frontali) -
Cenni di elettromagnetismo classico; resistenza, capacità, induttanza; generatori di tensione e corrente; leggi di Kirchhoff; connessioni in serie e in parallelo; partitore di tensione. Transitori in corrente continua: circuito RC (carica e scarica); circuito RL (apertura e chiusura); circuito oscillante LC. Tensioni e correnti alternate: introduzione al formalismo complesso; circuito RLC in serie e impedenza complessa; impedenza di un circuito puramente resistivo, capacitivo, induttivo; circuiti risonanti; introduzione ai quadrupoli, funzione di trasferimento e definizione decibel, risoluzione generale di un quadrupolo; filtri, esempio di circuito passa-basso, esempio di circuito passa-alto.

2. Semiconduttori, diodi e transistor (circa 6-7 lezioni frontali) -
Cenni sui semiconduttori: teoria della struttura a bande; conduttori, semiconduttori, isolanti; corrente di deriva e modello a gas di elettroni; semiconduttori intrinseci; semiconduttori estrinseci; drogaggio p e n; corrente di diffusione. Cenni sui diodi: giunzione p-n a circuito aperto, in polarizzazione diretta e inversa; caratteristica del diodo a giunzione e calcolo della tensione di soglia, spiegazione della prima prova di laboratorio (misura della caratteristica di due diodi al Si e Ge); retta di carico e punto di lavoro; analisi di circuiti a diodi con modello circuitale; diodi zener; circuiti raddrizzatori a semionda e doppia semionda (ponte di diodi); circuiti di taglio a un livello e a due livelli, spiegazione della seconda prova di laboratorio (costruzione di un circuito di taglio a due livelli). Cenni sui transistor: classificazione dei transistor; BJT, correnti, guadagno, caratteristiche di ingresso e di uscita; FET, esempio del PMOS ad arricchimento.

[ Durante questa parte di lezioni frontali inizieranno le prove di laboratorio; in particolare, dopo la presentazione della strumentazione di laboratorio, le prime due prove consisteranno nella misurazione della caratteristica di due diodi e nella costruzione di un circuito di taglio a due livelli. ]

3. Elettronica logico-digitale (circa 3-4 lezioni frontali) -
Sistema binario; porte AND, OR, NOT; algebra di Boole; leggi di De Morgan; forme canoniche di funzioni logiche; circuiti logici combinatori (esempio implementazione porta XOR); addizione binaria, half-adder e full-adder; sommatori seriali e parallelil; codificatori e decodificatori, decoder BCD-decimale, encoder decimale-BCDi; multiplexer, spiegazione della terza prova di laboratorio (costruzione di un multiplexer).

[ Dopo questa parte di lezioni frontali si svolgerà la terza e ultima prova di laboratorio, che consiste nella costruzione di un multiplexer a quattro ingressi. ]

4. Strumenti per l’acquisizione di dati astrofisici: fondamenti di radiotelescopi e CCD (circa 3-4 lezioni frontali)

Cenni sui radiotelescopi: astronomia nella finestra radio, radiazione elettromagnetica da cariche accelerate, radiazione di dipolo, fondamenti e prestazioni delle antenne, power pattern di un'apertura, interferometro semplice, power pattern dell'interferometro multiplo, Very Large Array, esempio di una recente osservazione interferometrica di grande importanza: la prima immagine di un buco nero (M87). Cenni sui CCD: effetto fotoelettrico, trasferimento di carica, differenza con i CMOS.

[ Alla fine del corso si svolge la visita didattica ai radiotelescopi di Medicina ]

Nota: Esercitazioni di laboratorio sugli argomenti in programma costituiscono parte integrante del corso. La frequenza ai laboratori è obbligatoria e i risultati ottenuti devono essere presentati in elaborati scritti (relazioni di laboratorio) da consegnare prima della prova orale.

Testi/Bibliografia

- "Microelettronica", J. Millman - A. Grabel, Mc Graw-Hill

- "Introduzione all'elettronica - Parte I: elettronica digitale", E. Franchini - V. Flaminio - C. Roda - F. Spinella, Edizioni ETS.

- "Elettronica di Millman", J. Millman, A. Grabel, P. Terreni, McGraw-Hill, Quarta ed., 2008 

- "La fisica di Feynman", R. Feynman - R. Leighton - M. Sands, ed. Zanichelli.

- "Essential Radio Astronomy" (ERA), J. J. Condon – S. M. Ransom,
https://science.nrao.edu/opportunities/courses/era

- "Scientific Charge Coupled Devices", J. R. Janesick , 2001

Nota: I testi indicati sono stati utilizzati per la preparazione delle lezioni frontali e sono suggeriti come letture e approfondimenti che possono risultare particolarmente utili per gli studenti non frequentanti, ma non sono strettamente necessari per la preparazione dell'esame. Il materiale che verrà fornito sulla piattaforma "Virtuale" (inclusa una dispensa riguardante la parte di elettronica analogica e tutti gli appunti e slides mostrati durante le lezioni frontali) è infatti sufficiente per la preparazione dell'esame, soprattutto per gli studenti frequentanti.

Metodi didattici

- Lezioni frontali con uso di materiale didattico elettronico.

- Partecipazione ad esperienze di laboratorio in gruppi da due (massimo tre, se necessario) studenti.

- In considerazione della tipologia di attività e dei metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede la preventiva partecipazione di tutti gli studenti ai Moduli 1 e 2 di formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio, [https://elearning-sicurezza.unibo.it/] in modalità e-learning.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame è orale alla lavagna (durata circa 40-45 minuti). La prova orale prevede elaborati da consegnare prima della prova stessa. In particolare, l'esame inizia sempre con la discussione delle relazioni prodotte dal candidato sulle tre prove di laboratorio. Successivamente, verranno poste al candidato quattro domande, una relativa a ciascuna tematica generale del corso. Viene richiesta la capacità di svolgere dimostrazioni e calcoli relativi agli argomenti trattati a lezione. Il candidato può ritirarsi dall'esame in qualsiasi momento e decidere di ripresentarsi. Analogamente, la docente può respingere un candidato se ritiene la sua preparazione insufficiente. Se l'esame termina regolarmente, il voto proposto terrà in considerazione la valutazione sia delle relazioni presentate sia delle risposte fornite durante la discussione orale.

Graduazione del voto finale:
* 18-19: preparazione su un numero limitato di argomenti affrontati nel corso e capacità di analisi solo con approccio prevalentemente qualitativo che emerge solo con l’aiuto della docente, espressione in linguaggio non sempre corretto;
* 20-24: preparazione su un numero limitato di argomenti affrontati nel corso e capacità di analisi autonoma solo con approccio prevalentemente qualitativo, espressione in linguaggio complessivamente corretto;
* 25-29: preparazione su un numero ampio di argomenti affrontati nel corso, capacità di compiere scelte autonome di analisi critica e quantitativa, padronanza della terminologia specifica;
* 30-30L: preparazione esaustiva e rigorosa sugli argomenti affrontati nel corso (in particolare su tutte le tematiche generali, incluse relazioni di laboratorio), capacità di compiere scelte autonome di analisi critica e quantitativa, piena padronanza della terminologia specifica, capacità di argomentazione e autoriflessione con collegamenti tra i vari argomenti.

Nota: Il candidato può rifiutare il voto al massimo due volte; successivamente, verrà verbalizzato il voto proposto nell’ultimo appello sostenuto.

Indicazioni specifiche per l'iscrizione alla lista d'esame:
Sono ammessi all'esame orale solamente gli studenti che hanno partecipato alle prove di laboratorio organizzate durante il corso e consegnato le relative relazioni. La consegna delle relazioni deve avvenire per via informatica (allegato in formato pdf da inviare via mail alla docente) entro la data di chiusura della lista su almaesami, tipicamente 5 giorni prima della data dell'appello.
Non saranno accettate richieste di iscrizione all'appello dopo la chiusura della lista, salvo casi di forza maggiore opportunamente documentati. Per motivi organizzativi, si prega di cancellarsi dalla lista se una volta iscritti si decide di non presentarsi all'appello.

 

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

- Laboratorio didattico di elettronica.

- Materiale didattico in formato elettronico su argomenti specifici.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Myriam Gitti